대형 가솔린 엔진의 폐열 회수 장치인 슈퍼히터의 최적 위치선정을 위한 시뮬레이션 연구

Abstract

최근 자동차 엔지니어들은 자동차 엔진의 열효율을 향상시키기 위한 수단으로 폐열 회수 기술에 많은 관심을 기울이고 있다. 배기량이 큰 가솔린 엔진은 대체로 V형인데, 열 회수를 위해 두 개의 슈퍼히터를 각각의 배기 다기관 가까이에 설치하는 것은 비용 면에서 효율적이지 않다. 하나의 슈퍼히터를 한쪽 배기 다기관에 최대한 가깝게 부착하면 좀 더 높은 열교환 효율을 얻을 수 있으나 폐열회수를 위한 배기가스의 유량은 절반이 된다. 반면에, 배기가스의 유량을 전부 이용하기 위하여 두 배기관이 합류된 지점에 슈퍼히터를 설치하면 배기가스의 온도는 많이 감소된다. 이 사실을 바탕으로 슈퍼히터의 최적 위치를 조사하기 위하여 상용프로그램인 AMESim을 이용해 해석을 수행하였다. 이 때, 배기가스 유량 중 절반만을 사용하더라도 슈퍼히터를 배기 다기관과 최대한 가까이 부착하는 것이 엔진의 배기가스로부터 3.8 kW의 열을 더 회수할 수 있는 것으로 나타났다. 이 결과를 바탕으로 최적의 폐열 회수 모델을 도출하고 제안하였다.

Recently, automotive engineers have paid much attention to waste heat recovery technology as a possible means to improve the thermal efficiency of an automotive engine. A large displacement gasoline engine is generally a V-type engine. It is not cost effective to install two superheaters at each exhaust manifold for the heat recovery purposes. A single superheater could be installed as close to the exhaust manifold as possible for the higher recovery efficiency; however, only half of exhaust gas can be used for heat recovery. On the contrary, the exhaust temperature is decreased for the case where the superheater is installed at a junction of two exhaust tail pipes. With the fact in mind, the optimum position of a single superheater was investigated using simulation models developed from a commercial software package (i.e. AMESim). It was found that installing the superheater near the exhaust manifold could recover 3.8 kW more from the engine exhaust despite utilizing only half of the exhaust mass flow. Based on this result, the optimum layout of an automotive waste heat recovery system was developed and proposed in this paper.